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為了清楚解釋這個問題，先得從光伏逆變器的內(nèi)部構(gòu)造說起。所有類型的光伏逆變器的功率回路由組件或組串、輸入開關(guān)、EMI濾波、逆變電路、交流濾波、及輸出開關(guān)構(gòu)成，而信號回路由交直流采樣、驅(qū)動電路、LCD顯示、及控制構(gòu)成，如圖9所示。

除了實現(xiàn)直流－交流功率變換和并網(wǎng)控制外，逆變器的關(guān)鍵功能之一是MPPT跟蹤，其目的是通過組串電壓擾動找到組串的最大功率點。具體控制策略主要使用爬山法、導(dǎo)納法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，當(dāng)前產(chǎn)品化主要使用爬山法。這些MPPT算法可以尋找到光伏組串的最大功率點，但是無法找到每個組件的最大功率點，下面以圖10中兩個組件串聯(lián)為例說明。

圖10 兩個組件串聯(lián)構(gòu)成的一個組串

這個組串由兩個組件串聯(lián)構(gòu)成，兩個組件分別為I、II，使用第1節(jié)的組件等效模型和數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，兩個組件MPP一致時，組串電壓分別與組串功率、電流的函數(shù)曲線只有一個轉(zhuǎn)折點，也就是最大功率點；但第I個組件由于種種原因MPP發(fā)生變化，而第II個組件仍然可實現(xiàn)MPP時，組串MPP點出現(xiàn)了雙峰，如圖11所示的A、B點。山峰太多平時看起來很壯觀、很漂亮，但是一旦出現(xiàn)在組串上，逆變器的MPPT算法就會搞暈，既可能呆在A點、也可能留戀B點。A點的電壓低而功率大，實質(zhì)上是組件I的旁路二極管導(dǎo)通了，不然組件I將承受反向電壓而發(fā)生熱斑效應(yīng)而掛掉，這樣損失了組件I的輸出功率，因為其或多或少還是有輸出功率的。而B點的電壓高而功率小，實質(zhì)上是組串電流等于組件I電流，而組件I電流遠(yuǎn)小于組件II，這樣損失了組件II的部分功率。

光伏逆變器的常規(guī)MPPT算法是從組串的開路電壓開始跟蹤組串最大功率，因此最有可能的是可以找到B點。近年來國外有些老牌廠商也提出了MPPT的多峰算法，有可能可以找到A點，但是這種多峰算法實際中很少使用。為什么呢？只因為MPPT速度太慢，很可能由于使用這個算法而導(dǎo)致更多的光伏能量損失。

光伏組件MPP變小的直接原因是遮擋，也就是組件的光照強(qiáng)度下降。圖12所示為單個電池片遮擋對組件功率影響的實驗數(shù)據(jù)，如果單個電池片的遮擋面積為25％，組件功率損失為8．3％；如果電池片遮擋面積達(dá)到93．5％，組件功率損失為87．3％。這個木桶效應(yīng)的影響非常大，因為組件內(nèi)部存在60、或72個電池片，結(jié)果顯示某個電池片被遮擋，光伏組件基本已經(jīng)沒有功率輸出，而這個電池遮擋面積僅占整個組件的1．55％！

圖13所示為單個組件遮擋對組串功率影響的實驗數(shù)據(jù)，如果單個組件的遮擋面積為25％，組串功率損失為12．21％。這個木桶效應(yīng)的影響非常大，因為這個組串由20個組件串聯(lián)構(gòu)成，而這個組件遮擋面積僅占整個組串的1％！

木桶效應(yīng)是光伏電池串聯(lián)必須導(dǎo)致的結(jié)果，但是從經(jīng)濟(jì)性考慮，組件串聯(lián)提高直流電壓后才可降低電纜、逆變器等造價。

當(dāng)然創(chuàng)新是無止境的，國外也有廠商把晶硅組件采用了類似碲化鎘薄膜組件技術(shù)，把組件內(nèi)部的電池片做成矩陣式結(jié)構(gòu)，如圖14所示。但是這種電池片矩陣式結(jié)構(gòu)雖然消除了電池片級的木桶效應(yīng)，但是并沒有改變組件串聯(lián)構(gòu)成組串的悲催現(xiàn)實，這樣光伏組串仍然存在木桶效應(yīng)而導(dǎo)致組件失配的能量損失。除非把組件串聯(lián)改成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣直流母線電壓將會很低，可以完全消除傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)的木桶效應(yīng)問題，但會導(dǎo)致電纜、逆變器的損耗增大、造價增加。在這里呼吁一下愿意制造這種矩陣式電池片的組件廠，茂碩電氣配合研發(fā)低壓逆變器，我們在深圳等您。

另外，SNEC2017上看到有的組件廠推出了半片技術(shù)，有的也推出了每個電池片反向并聯(lián)旁路二極管技術(shù)，半片技術(shù)、更多旁路二極管在一定程度上可以減輕木桶效應(yīng)，只是要評估價格的增加幅度。

5、導(dǎo)致木桶效應(yīng)的根本原因

導(dǎo)致木桶效應(yīng)的根本原因基本上可以分為兩類：一個是因為組件本身原因；另一個是使用組件的外部環(huán)境。

一般人比較關(guān)注光伏組件的衰減和老化及制造過程的離散性，比如很多組件廠承諾頭兩年衰減不超過2％，10年內(nèi)不超過10％，25年不超過20％。但是據(jù)統(tǒng)計，頭兩年衰減在2％以內(nèi)的光伏組件基本很少。

另外，標(biāo)稱功率偏差也是光伏組件的一個重要參數(shù)，一般±3％以內(nèi)是可以接受的，當(dāng)然大廠做得更好也更有擔(dān)當(dāng)，只有正偏差而沒負(fù)偏差。這個參數(shù)也說明，雖然組件的標(biāo)稱參數(shù)相同，但實際上輸出功率曲線卻有差異。但是更重要的是，每個電池片、組件的衰減速度、老化程度及功率偏差不可能完全相同，因此這樣的電池片串聯(lián)構(gòu)成組件、這樣的組件串聯(lián)構(gòu)成組串必然存在木桶效應(yīng)。比如，60個電池片串聯(lián)時，其中某個電池片提前老化了，那么就會造成整個組件的功率失配損失；20個組件串聯(lián)時，其中某個組件功率是負(fù)偏差，雖然其他組件功率都是正偏差，這樣也會造成整個組串的功率失配損失。

與組件本身原因相比較，使用組件的外部環(huán)境更加復(fù)雜，并且更容易導(dǎo)致木桶效應(yīng)，而光伏電池串聯(lián)系統(tǒng)容易發(fā)生木桶效應(yīng)，其直接原因是組件內(nèi)部每個電池片、或組串內(nèi)部每個組件的光照不均勻?qū)е碌妮敵龉β什幌嗤�。如圖15所示，存在太多的外部環(huán)境容易使電池片、或組件之間的光照不均勻，比如屋頂發(fā)電的女兒墻對電池片、組件的部分遮擋；地面電站前后排組串的陰影；光伏組件表面的灰塵、積雪、臟污不一致；地面電站組件旁邊的雜草；光伏組件的傾角不一致；組件老化不均勻；同一處光伏電站所使用的組件溫度還有可能不一樣；當(dāng)然天上的朵朵白云也導(dǎo)致組件光照不一致。

因此，導(dǎo)致木桶效應(yīng)的部分原因是可以解決的，比如陰影、雜草遮擋等，甚至現(xiàn)在組件出廠時還可以分級篩選，把性能相近的組件歸到同一組串，但是這種措施沒考慮到幾年后組件的不均勻老化問題。但是，更多導(dǎo)致木桶效應(yīng)的原因卻難以解決，比如人們還控制不了云彩，也不可能讓灰塵和積雪完全一致，更關(guān)鍵的是無法達(dá)到相同的組件衰減率。

6、總結(jié)

為什么一再旗幟鮮明地不看好當(dāng)前1500Vdc光伏系統(tǒng)呢，原因是沒改變組件內(nèi)部的電池片串聯(lián)結(jié)構(gòu)，主要是1500Vdc組串中組件串聯(lián)的數(shù)量更多了，進(jìn)一步提高了木桶效應(yīng)出現(xiàn)的機(jī)率，并且組串MPP點出現(xiàn)山峰更多，從而木桶效應(yīng)變得更加嚴(yán)重。

匯總?cè)�文�?nèi)容，其實歸根結(jié)底就是以下幾句話：

（1）光伏組件由多個電池片串聯(lián)構(gòu)成，組件內(nèi)部存在木桶效應(yīng)；

（2）光伏組串由多個組件串聯(lián)構(gòu)成，組串內(nèi)部存在木桶效應(yīng)；

（3）造成光伏木桶效的根因部分容易處理，而更多的外部因素?zé)o法解決；

（4）矩陣化電池片的組件并聯(lián)技術(shù)可消除木桶效應(yīng)，但需評估效率和成本；

（5）電池半片、更多旁路二極管可減輕木桶效應(yīng)，但需評估成本和工藝；

木桶效應(yīng)所導(dǎo)致的組件失配會造成發(fā)電收益降低，并且降低的幅度高達(dá)18～24％。本來組件的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)夠低了，就這么低的直流電力還不能實現(xiàn)全部的并網(wǎng)發(fā)電，即使逆變器轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98、99％也是枉然。

從根本上說，木桶效應(yīng)的本質(zhì)是低的組件利用率，而組件利用率既不是組件廠的技術(shù)范疇，傳統(tǒng)逆變器公司也是無能為力，可以說還是一個空白區(qū)。為了提高組件利用率、消除木桶效率，優(yōu)化器、微逆是其中切實可行的改進(jìn)措施，并且這個是咱們電力電子人可以做的事情，也是本系列后續(xù)重點討論的內(nèi)容。

作者：胡炎申